2018年6月7日木曜日

細胞の分子生物学 第6章「ゲノム情報の読み取り」1節

担当:荒井
参加者:8名

[概要]
 DNAからの転写によってmRNAは生成される。転写の開始および終了位置は特定の配列により決定され、転写はRNAポリメラーゼが行う。細菌ではRNAポリメラーゼは1種類だが、真核生物では複数となり複雑さを増す。転写されたmRNAに対してタンパク質に翻訳されない領域イントロンを切除するスプライシングを行う。適切に加工されたmRNAは核膜孔複合体を通って細胞質へと運ばれ、タンパク質となる。最終産物がRNAとなる物も存在し、細胞内で構造体や調節因子として働く。

[議論点]
Why do we need to convert DNA to RNA to make proteins? Why cant we skip the process of transcription?
なぜタンパク質合成のためにDNARNAに転写する必要があるのか?なぜ転写を省略することは出来ないのか?

RNA転写のメリットの考察
 遺伝情報保存の能力だけでなく伝達する能力も兼ねている
 DNAよりもサイズが小さいため情報伝達の能力が高い(必要な情報のみ伝達可能)
 不要になった要素を破棄することが簡単
 全てのDNA鎖を開くには時間がかかるため部分的に行う転写の方が時間効率が良い
 DNAにとってはタンパク質合成よりもRNA転写の方がコスパが良い
スプライシングをする手間があるため一概にそうかは分からない

RNA転写のデメリットの考察
 DNAから直接プロテインを生成するよりも1ステップ多くなっている
 DNA複製と比べて塩基配列の誤りは多くなる(DNA複製の約1,000倍の確率)

DNARNAの比較
 双方とも2本鎖を形成するが、RNAは2本鎖で安定した状態が複数存在する。したが
 って、DNAの方がより画一的な状態で保存できていると考えることも出来る。

古来DNAは存在していなかった可能性
 生物の起こりの段階では細胞はRNAの海であり、RNAからタンパク質を合成すると
 いう方法しか存在しなかった。また、RNAが突然変異を起こしてDNAが誕生したと
 いう説もある。

[まとめ]
 RNAを転写によって生成するメリットは多数考えられた。特にDNAよりもRNAの方が小さなサイズであるという点は大きな違いであると思われる。また、DNAよりもRNAが古来から存在しているのではないかという観点も現在のRNA転写を考える一つの要素である。

2018年6月4日月曜日

Molecular Biology of Cells Chapter 5 (Second Half)

DNA Repair


Organism should maintain the genetic stability for its survival. DNA repair is correction of spontaneous changes in DNA by a set of processes that are collectively. The importance of DNA repair is evident from cells make in DNA repair enzymes. For example, human disease named Xeroderma pigmentosum (XP), the afflicted individuals have an extreme sensitivity to ultraviolet radiation because they are unable to repair certain DNA photoproducts.
Without DNA repair, spontaneous DNA damage would rapidly change DNA sequence. For example, the DNA of each human cell loses about 5000 purine bases (adenine and guanine) every day because their N-glycosyl linkages to deoxyribose hydrolyze, a spontaneous reaction called depurination. If left uncorrected when the DNA is replicated, most of these changes would be expected to lead either to the deletion of one or more base pairs or to a base-pair substitution in the daughter DNA chain.
The DNA double helix is readily repaired. Thus, when one strand is damaged, the complementary strand retains an intact copy of the same information, and this copy is generally used to restore the correct nucleotide sequences to the damaged strand.
DNA damage can be removed by 2 pathways:
1.     Base excision repair -> the altered base is removed by a DNA glycosylase enzyme, followed by excision of the resulting sugar phosphate.
2.     Nucleotide excision repair -> a small section of the DNA strand surrounding the damage is removed from the DNA double helix as an oligonucleotide
Other critical repair systems-based on either non-homologous end-joining or homologous recombination-reseal the accidental double-strand breaks that occur in the DNA helix.

Homologous Recombination


Nucleotide sequences are exchanged between two similar or identical molecules of DNA. The used of homologous recombination are:
1.     Accurately repairing double-strand break
2.     Exchange bits of genetic information between two different chromosomes to create new combinations of DNA sequences in each chromosome during meiosis
3.     Used in horizontal gene transfer to exchange genetic material between different strains and species of bacteria and viruses
Term: hybridization -> single-stranded DNA or RNA molecules anneal (pair by hydrogen bonds to form a double-stranded polynucleotide) to complementary DNA or RNA.

Transposition and Conservative Site-Specific Recombination


These two types of recombination (collectively termed mobile genetic elements) can alter gene order along a chromosome, and cause unusual types of mutations that add new information to genomes. It often considered to be molecular parasites that persist because cells cannot get rid of them; they certainly have come close to overrunning our own genome. However, it can provide benefits to the cell, in the case of antibiotics resistance in bacterial cells.
1.     Transposition is the movement of genetic material between unicellular and/or multicellular organisms by horizontal transmission of DNA from parent to offspring. This is the primary mechanism for the spread of antibiotic resistance in bacteria.
On the basis of their structure and mechanism, transposition can be grouped into: DNA-only transposons, retroviral-like retrotransposons, and nonretroviral retrotransposons.
Term: transposons or transposable elements -> a specific enzyme called transpoase, acts on a specific DNA sequence at each end of transposon, causing insert into a new target DNA site.
2.     Conservative site-specific recombination can distinguish from transposition. First, it requires specialized DNA sequences on both the donor and recipient DNA. Second, the reaction mechanisms are fundamentally different.
This recombination can be used to turn genes on or off. It was discovered in bacteriophage lambda.
Discussion
Is it possible to make the desired sequence by utilizing transposition?
The idea: 
- transposons can move everywhere on the genome.
- we can imagine where the transposons will be move on the genome.

Application of Transposons
  1. Control HIV virus to become less active. There are 2 ways: 1) copy and paste, 2) cut and paste. With cutting the HIV sequence, it can decrease the spread of HIV virus. Cut and paste way can make the desired sequence by using transposons.
  2. Cure danger sequence in human (possibly).
  3. Transposons can be used to randomly disrupt gene. So, we can select good result from it.
  4. To introduce new sequence.




2018年5月28日月曜日

細胞の分子生物学 第5章前半「DNAの複製」

担当:三好
参加者:9名

概要
 

  1. 短期間の生存を考えると、細胞はDNA内に変化が起こることを避けたほうが良いが、種の長期的な生存にはDNAシーケンスは可変であることが望ましい。細胞はDNAを守ろうとしますがまれにDNAシーケンスの変化は起こります。このような変異が起こる確率は観測できるだろうか。虫やバクテリアなどによる実験室内での観測をによると、10^9ヌクレオチド中1つの割合で変異が起こるらしく、このことから変異はとてもまれなものだと分かる。
  2. さて、このDNA複製メカニズムは,一秒間に1000個のヌクレオチドの速さで複製が行われているのにも関わらず、どのようにしてこのような高い正確性を持たせることができるのだろうか。これには、娘のDNA鎖を親(template)から作り出すとき、2段階の誤り訂正が行われているからである。まず第一段階として、合成中の鎖に、ヌクレオチドが付加される直前にDNAポリメラーゼが行う。ポリメラーゼというのは、その単量体(monomer)を結合させて重合体(polymer)を合成する酵素である。ポリメラーゼよって、ヌクレオチドの付加を触媒する前に、正しい塩基対の立体構造のとき活性部位を閉じる反応がより起こりやすいことを利用して、塩基対の配置が正しいのか確認するように働く。二段階目の誤り訂正は、エキソヌクレアーゼ活性によるものである。これは、簡単に言えば塩基対形成しないような塩基をこの活性によって切りとるような反応である。このエキソヌクレアーゼ活性は、DNA複製が5’から3’方向にしか起こらないことを説明する裏づけにもなっている。将棋や囲碁で言うところの、「待った」のような機能であると私は思った。このような修正機構をもったDNA複製機構は、RNA合成やnRNA合成の翻訳過程の誤り率の10万分の一であり、驚くべき制度といえる。
  3. DNA合成は最初短いRNA分子を使って、Y字フォークのリーディング鎖でまず一時的にプライマーRNA分子を使って始まり、そのプライマーRNA分子はDNAに置き換えらる。線上DNAのいちばん端では、プライマーRNAを作る余地がない。細菌はこの問題を染色体を環状DNAにして解決している。一方で、真核生物は、染色体の末端に特定の塩基配列をおいて、テロメアを構成するやりかたで解決。ヒトの体細胞ではこのテロメア反復配列が各細胞に備わる計数装置となって, 成体組織で“不良" 細胞が際限なく増殖するのを防ぐ役をしているという考えがある。

議論:
不老は実現可能か

"老い"とテロメア
・真核生物は染色体の末端にテロメアを置く 
テロメアはろうそくのように寿命を定める
テロメアは真核生物にとって不良細胞が増殖するのを防ぐ役割(例:がん)
・菌類は染色体を環状DNAにして解決
菌類はある意味"老い"ない
何億年も生きてきた大腸菌の固体が存在する可能性
一方で、われわれの生殖細胞は何億年も変わらない(生殖細胞は不老?)

"老い"のメリット
・リソースの問題
人口が増えすぎると食料が枯渇する
・環境適応の問題
新環境に適応するための変化を、一世代のみで行うよりは新たな固体を産み出す過程において生じる変化を利用して、つまり多世代で行うほうが効率よい

まとめ
コピーを繰り返す細菌のなかには、ある意味"不老"の固体がいるだろう
一方で、真核生物にとって、"老い”は種全体として新たな適応に対応するための重要なメカニズムであり、必要不可欠である


2018年5月21日月曜日

細胞の分子生物学 第4章「DNA, 染色体,ゲノム」


担当:顔
参加者:9名

概要
 DNAの構成単位であるヌクレオチドは糖、リン酸また塩基また塩基の水素結合を通して2本のヌクレオチド鎖の螺旋というDNA分子を構成する。真核生物のDNAは染色体のセットに分納されて、タンパク質の複合体と結合して染色体に構成します。異なる真核生物の種はここの染色体へのゲノムの割り当て方も異なる。
 またにヘテロクロマチンとユークロマチンを紹介しました。ヘテロクロマチンは普通、セントロメアの周りやテロメア近くに見つかるが、染色体の他の多くの部位にも存在する。遺伝子はヘテロクロマチンに詰め込まれると休止状態になります。
 ランプブラシ染色体と多系染色体の研究から、各クロマチンループは30nmクロマチン繊維が折たまれできていると考えられる。
 DNAの複製や修復過程の精度は極めて高くて、ゲノムの塩基配列を維持する過程でランダムに起こる誤りはごく稀で、どの系統でも100万年ごとに1000塩基あたり約1塩基のみ変化する程度です。人とチンバンジーの遺伝子は基本的に同じなだけではなく、各染色体上の遺伝子の順序もほぼ同じである。


議論点
純化選択によって保存される重要な機能にどんなものがありますか。


純化選択は何か

・保存メカリズム
・大事な配列に変異しない
・大事な配列に変異したら死ぬ


重要な機能にどんなものがあるか

タンパク質翻訳領域
・RNA転写領域
・コドン表


まとめ
純化選択は保存メカリズムで、ある大事な配列に変異しないまたは変異したら死ぬということである。それを通して保存される機能はタンパク質翻訳領域、RNA転写領域などがある

2018年5月8日火曜日

細胞の分子生物学 第3章「タンパク質」

担当:新田
参加者:7名

概要
 タンパク分子の立体的なコンホメーションはアミノ酸配列によって決まる。大きなタンパク質はいくつかのドメインという規格単位が繋がったものであり、ドメインそのものが変化したり他のドメインと結合したりすることで進化してきた。
 あらゆるタンパク質は、リガンドが結合することによるコンホメーションの変化や、アミノ酸側鎖への小さな分子の共有結合的付加によって調節が行われており、この調節機構によって様々な働きをする。


議論点
酵素ドリンク(補酵素飲料)の効果

例:飲むヨーグルト(乳酸菌)
  ベルタ酵素ドリンク(165種類の酵素数、新酵素成分「エンザミン」)

効果
・そもそも酵素そのものは入っていないのではないか
 →市販品は衛生上加熱処理されているため、酵素の多くは失活する

・吸収はされないが酵素は入っている
 →消化を助ける等

・酵素を活性化させる
 →アミノ酸・ビタミン・ミネラル
 →補酵素(多くはビタミンとして知られる)

酵素と補酵素の違い
 酵素:反応しても無くならない、タンパク質
 補酵素:反応すると無くなる(一度使用されても再度使える)、タンパク質以外

まとめ
一般に酵素ドリンクと呼ばれるものには、実際には酵素そのものではなく、酵素反応に必要な補酵素が入っているのではないかと考えられる。

2018年5月1日火曜日

細胞の分子生物学 第2章 「細胞の化学と生合成」

担当:相澤
参加者:8名

[概要]
 生物は様々な化学反応で作られている系であり、反応の大部分は炭素化合物の反応である。この反応は小有機分子を使って構築されたりしている。また細胞における反応は高温域における反応が行われるために酵素と言われるタンパク質が制御のための触媒として使れて反応が進む。酵素は生体が食物からエネルギーを得るためにおいての解糖での段階的酸化でも働き、化学エネルギーがATPやNADHとして得られる。また解糖を始めとした、クエン酸回路、酸化的リン酸回路の三つの反応群が順番に反応が進み、それぞれの生成物が次の反応群の始まりとなる。それぞれがバランスを取らなければ代謝は崩れてしまうが、崩れると元に戻そうと働くため細胞の代謝のバランスは安定である。

[議論点]
ダイエットにおいて脂質の方が糖質よりも得るエネルギーが良いのか

様々な良さの定義から考えた結果

・効率の良さ
  エネルギーの貯蔵という点では脂質の方が1gで貯められるエネルギーが糖質の6倍ある。つまり重さあたりのエネルギー密度は脂質の方が大きい。したがって脂肪として蓄えてしまうため糖質の方が良い。

・汎用性の良さ
  糖質は血液によって運搬されるため、体のいろいろな場所のエネルギーとして利用できる。したがってエネルギーを消費しやすくなるため糖質の方が良い。

・即効性の良さ
  腹持ちが良いのは脂質である。しかしお腹が空けばその度に少しずつ食べれば良い。胃の中で消化しやすいのは糖質をこまめに食べれば良い。したがって糖質の方が良い。

・制御性の良さ
  脂質は酵素を4種類使う。また、解糖するには10種類必要である。したがって、分解するとき段階の少ない脂質の方が良い。しかしダイエットに関しては影響がないと考えられるため比較できない。

[まとめ]
 ダイエットに関しては糖質の方が良い。しかしダイエット以外の良さでは引き分ける。

2018年4月17日火曜日

細胞の分子生物学 第1章「細胞とゲノム」

担当:大林
参加者:8名

[概要]
 細胞は、全生物に共通する機構であるDNA→RNA→タンパク質という情報の流れに基づいた物質代謝を行い、その恒常性を実現している。この機構の成立の背景には遺伝子重複や細胞内共生などの遺伝子資源を増やす仕組みがある。

[議論点]
非翻訳DNAは不要か

non coding DNAの割合
 ヒト:98.5%
 トラフグ:50%以上
 大腸菌:11%以上
 non coding領域の量は進化可能性を反映しているかもしれない。

non coding DNAの機能を考える
 調節領域
 現在必要ではないが、いつか(過去も含む)必要な領域
  プログラミングにおけるコメントアウトのようなもの

non coding DNAがcoding DNAになる可能性はあるか
 コドン表(genetic code)は不変
  同じmRNAからは同じタンパク質ができる
  mRNA作成のコピーミスでバリエーションができる可能性
 配列変異によって、non codingがcodingになる可能性(de novo gene birth)

non coding DNAの分類
 特定の遺伝子に含まれない領域
 特定の遺伝子に含まれるが、splicingによって翻訳対象にならない領域(exon)

[まとめ]
 非翻訳DNAには、調節、未知の特定状況における翻訳DNA化、変異による翻訳DNA化(進化可能性)などの役割があり、不要と言い切るのは難しい。